光纤通信原理 (全套)

日本也做出了超低损耗的光纤(损耗为 0.2dB/km，波长为1.55μm)，同时进行了多 模光纤(同时允许多个方向的光线在其中传 送的光纤)1.31μm的长波长传输系统的现场 试验。 到如今，光纤通信已经发展到以采用 光放大器 (Optical Amplifier，OA) 增加中 继 距 离 和 采 用 波 分 复 用 ( Wavelength Division Multiplexing，WDM)增加传输容 量为特征的第四代系统。
图1.1 贝尔电话系统
贝尔光电话和烽火报警一样，都是利 用大气作为光通道，光波传播易受气候的 影响，在大雾天气，它的可见度距离很短， 遇到下雨下雪天也有影响。
1.1.2 光纤通信
在大气光通信受阻之后，人们将研究 的重点转入到地下光波通信的实验，先后 出现过反射波导和透镜波导等地下通信的 实验，如图1.2所示。
可分为短波长光纤通信系统、长波长光纤
通信系统和超长波长光纤通信系统。
第二章
光纤和光缆
光纤作为光纤通信系统的物理传输媒 介，有着巨大的优越性。 本章首先介绍光纤的结构与类型，然 后用射线光学理论和波动光学理论重点分 析光在阶跃型光纤中的传输情况，最后简 要介绍光缆的构造、典型结构与光缆的型 号。
2.1 光纤的结构与类型 2.2 光纤的射线理论分析
2.3 均匀光纤的波动理论分 析
2.3.1 平面波在理想介质中的传播 1. 均匀平面波的一般概念
所谓均匀平面波是指在与传播方向垂 直的无限大的平面上，电场强度 E 和磁场 强度 H 的幅度和相位都相等的波型，简称 为平面波。
平面波是非常重要的波型，一些复杂 的波可以由平面波叠加得到。在折射率为n 的无限大的介质中，一工作波长为λ0的平 面波在其中传播，其波数为：
2. 相位一致条件
光纤中光波相位的变化情况如图2.9所
示，在这里以阶跃型光纤为例来讨论光纤 的相位一致条件，不作复杂的数学推导， 只提及波动光学中的基本观点和结论。
图2.9 光纤中光波相位的变化情况
相位一致条件就是说：如果图中所示 的这个模式在A、B处相位相等，则经过一 段传播距离后，在 A′、B′ 处也应该相位相 等或相差2π的整数倍。 光纤的相位一致条件也可以从另外一 个角度出发得到。根据物理学的知识可知： 波在无限空间中传播时，形成行波；而在 有限空间传播时，形成驻波。
按照 ITU-T 关于光纤类型的建议，可 以将光纤分为G.651光纤(渐变型多模光纤)、 G.652 光纤 ( 常规单模光纤 ) 、 G.653 光纤 ( 色 散位移光纤)、G.654光纤(截止波长光纤)和 G.655(非零色散位移光纤)光纤。 按套塑 ( 二次涂覆层 ) 可以将光纤分为 松套光纤和紧套光纤。 现在实用的石英光纤通常有以下三种： 阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃 型单模光纤。
对通信系统的重要要求之一是保密性好。 然而，随着科学技术的发展，电通信方式 很容易被人窃听：只要在明线或电缆附近 ( 甚至几公里以外 ) 设置一个特别的接收装 置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。 更不用去说无线通信方式。
5. 体积小，重量轻 6. 节省有色金属和原材料
1.2.2 光纤通信的缺点
图1.2 反射波导和透镜波导
1966年，英籍华人高锟(K.C.Kao，当 时工作于英国标准电信研究所)博士深入研 究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题， 发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因 是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属 离子和其他杂质，其次是拉制光纤时工艺 技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所 引起的折射率不均匀，他还发现一些玻璃 纤维在红外光区的损耗较小。
式中： k0 是真空中的波数， ω 是光的 角频率， μ 和 ε 分别是介质的导磁率和介电 常数 , 设平面波传播方向的单位矢量为 as， 则k = as· k称为平面波在该介质中的波矢量。
2. 平面波在介质分界面上的反射
和折射
反射波与入射波在原点处的复振幅之 比称为反射系数；传递波与入射波在原点 处的复振幅之比称为传递系数，表示为：
2.3 均匀光纤的波动理论分析
2.4 光 缆
2.1 光纤的结构与类型
2.1.1 光纤的结构
光纤 (Optical Fiber，OF) 就是用来导 光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是 由多层透明介质构成的，一般可以分为三 部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的 包层和外面的涂覆层，如图2.1所示。
2.2 光纤的射线理论分析
2.2.1 基本光学定义和定律
光在均匀介质中是沿直线传播的，其 传播速度为
v=c/n
式中： c＝2.997×105km/s，是光在真 空中的传播速度； n 是介质的折射率 ( 空气 的折射率为 1.00027 ，近似为 1 ；玻璃的折 射率为1.45左右)。
反射定律：反射光线位于入射光线和 法线所决定的平面内，反射光线和入射光 线处于法线的两侧，并且反射角等于入射 角，即：θ1′＝θ1。 折射定律 ：折射光线位于入射光线和 法线所决定的平面内，折射光线和入射光 线位于法线的两侧，且满足：
式中：R、T都是复数，包括大小及相 位。其模值分别表示反射波、传递波与入 射波幅度的大小之比； 2 Ф1、2Ф2 是 R 和 T
n1sinθ1=n2sinθ2
2.2.2 光纤中光的传播
一束光线从光纤的入射端面耦合进光 纤时，光纤中光线的传播分两种情形：一 种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴 线的平面内传播，并且一个传播周期与光 纤轴线相交两次，这种光线称为子午射线， 那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面； 另一种情形是光线在传播过程中不在一个 固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交， 这种光线称为斜射线。
此引入一个非常重要的结构参数，即光纤
的归一化频率，一般用V表示，其表达式
如下：
1. 多模光纤
顾明思义，多模光纤就是允许多个模
式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤
中允许存在多个分离的传导模。
2. 单模光纤
只能传输一种模式的光纤称为单模光 纤。单模光纤只能传输基模 ( 最低阶模 ) ， 它不存在模间时延差，因此它具有比多模 光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是 非常重要的。单模光纤的带宽一般都在几 十GHz· km以上。
图2.2 光纤的折射率分布
光纤的折射率变化可以用折射率
沿半径的分布函数n(r)来表示。
2. 按传输模式的数量分类
按光纤中传输的模式数量，可以将光
纤分为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)
和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。
在一定的工作波上，当有多个模式在
3. 斜射线在光纤中的传播
子午射线的传播过程始终在一个子午 面内，因此可以在二维的平面内来分析， 很直观。
2.2.3 光纤中的模式传输
1. 传导模的概念
模式是波动理论的概念。在波动理论 中，一种电磁场的分布称之为一个模式。 在射线理论中，通常认为一个传播方向的 光线对应一种模式，有时也称之为射线模 式。
光纤通信原理
第一章
概
述
1.1 光纤通信的发展与现状 1.2 光纤通信的主要特性
1.3 光纤通信系统的组成和分类
1.1 光纤通信的发展与现状
1.1.1 早期的光通信
到了1880年，贝尔发明了第一个光电 话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通 信的开端。 在这里，将弧光灯的恒定光束投射在 话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱 变化的反射光束，这个过程就是调制。
1. 子午射线在阶跃型光纤中的传播
阶跃型光纤是由半径为 a、折射率为常
数n 1的纤芯和折射率为常数n2的包层组
成，并且n1>n2，如图2.6所示。
图2.6 光线在阶跃型光纤中的传播
2. 子午射线在渐变型光纤中的传播
渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于 其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的 增加而递减直到等于包层的折射率。
1.3.2 光纤通信系统的分类
根据调制信号的类型，光纤通信系统 可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通 信系统。 根据光源的调制方式，光纤通信系统 可以分为直接调制光纤通信系统和间接调 制光纤通信系统。
根据光纤的传导模数量，光纤通信系
统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤
通信系统。
根据系统的工作波长，光纤通信系统
在高锟理论的指导下，1970年美国的 康宁公司拉出了第一根损耗为20dB/km的 光纤。 1977年美国在芝加哥进行了 44.736Mbit/s的现场实验，1978年，日本开 始了 32.064Mbit/s和 97.728Mbit/s的光纤通 信实验； 1979 年，美国 AT&T 和日本 NTT 均研制出了波长为1.35μm的半导体激光器，
如果今后采用非石英光纤，并工作在 超长波长(＞2μm)，光纤的理论损耗系数可 以下降到 10 -3～ 10 -5 dB/km，此时光纤通信 的中继距离可达数千，甚至数万公里。
3. 抗电磁干扰能力强
我们知道，电话线和电缆一般是不能 跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁 化路附近铺设。
4. 保密性能好
图2.1 光纤结构示意图
2.1.2 光纤的类型
光纤的分类方法很多，既可以按照光纤 截面折射率分布来分类，又可以按照光纤 中传输模式数的多少、光纤使用的材料或 传输的工作波长来分类。
1. 按光纤截面上折射率分布分类
按照截面上折射率分布的不同可以将
光纤分为阶跃型光纤 (Step-Index Fiber， SIF) 和渐变型光纤 (Graded-Index Fiber， GIF)，其折射率分布如图2.2所示。
一旦确定了光波导和光波长，那么 n1、 n2、纤芯直径 2 a 以及真空中光的传播常数 k0也就确定了，而且式(2-17)中的最大N值 也就确定了。 对于渐变型多模光纤，同样，其导模 不仅要满足全反射条件，还要满足相位一 致条件。